基于發(fā)動機(jī)本體三缸機(jī)點火抖動改進(jìn)的標(biāo)定方法

邢維者，陳寒霜，香植鈿，徐仰匯，田子龍

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434)

相同的整車應(yīng)用環(huán)境下，為達(dá)到搭載四缸發(fā)動機(jī)(以下簡稱四缸機(jī))的動力性，搭載了三缸發(fā)動機(jī)(以下簡稱三缸機(jī))的整車其單缸負(fù)載比四缸機(jī)高約33%，因此帶來更大的主階次激勵。四缸機(jī)振動、噪聲主激勵階次為2階，而三缸機(jī)振動、噪聲主激勵階次為1.5階。在同一轉(zhuǎn)速下，三缸機(jī)所激勵的頻率比四缸機(jī)低。而懸置對于低頻的隔振率有限，三缸機(jī)車身受到的激勵較四缸機(jī)大，易引發(fā)低頻的抖動問題，嚴(yán)重影響駕駛者及乘客的實車體驗[1]。

動力總成在發(fā)動機(jī)點火后會產(chǎn)生抖動，抖動通過懸置傳遞至車身，進(jìn)而傳遞至座椅導(dǎo)軌使駕駛者感知。國內(nèi)外學(xué)者對于發(fā)動機(jī)點火抖動現(xiàn)象進(jìn)行了較為廣泛的研究。Bang等[2]通過建立動總模型，通過仿真手段，計算并優(yōu)化動總剛體模態(tài)等方式預(yù)測啟動過程動總本體振動，從而降低了整車啟動抖動。Furushou 等[3]通過在曲軸軸系上安裝啟停系統(tǒng)，配合啟動控制系統(tǒng)這一組合，實現(xiàn)了啟動過程的舒適性達(dá)到混合動力汽車相同的水平。王博等[4]研究了發(fā)動機(jī)起動振動對混合動力汽車振動的影響。以上研究結(jié)果多基于四缸機(jī)，國內(nèi)對于三缸機(jī)的點火抖動大都從路徑角度優(yōu)化，李斌等[5]通過懸置解耦的方式，避開點火激勵頻率1 Hz以上，顯著改善了點火抖動。金巖等[6]通過優(yōu)化動力總成懸置系統(tǒng)，降低扭矩波動到車身的傳遞以及提高電機(jī)拖動轉(zhuǎn)速，降低起動初期扭矩波動，使起動振動得到明顯抑制。兩者均通過調(diào)節(jié)懸置的方法優(yōu)化了三缸機(jī)的點火抖動，但由于懸置結(jié)構(gòu)中存在橡膠，大多數(shù)廠家在制造過程中的靜剛度公差范圍為±15%，很難保證生產(chǎn)過程中每輛車動力總成剛體模態(tài)的一致性，因此整車的點火抖動性能也存在差異。

本文從發(fā)動機(jī)本體出發(fā)，對某自主研發(fā)的三缸機(jī)車型點火抖動問題展開研究。通過試驗的方法，分析發(fā)動機(jī)點火抖動產(chǎn)生的機(jī)理。調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)啟動過程中的轉(zhuǎn)速波動及點火激勵，對點火抖動這一NVH性能進(jìn)行改進(jìn)，以使整車點火抖動性能達(dá)到對標(biāo)車的水平。本研究可為其他車型的三缸機(jī)點火抖動改善提供借鑒。

1 三缸機(jī)點火抖動測試分析

1.1 試驗設(shè)備及方法

整車點火抖動測試所需儀器為西門子SCADAS信號采集儀，B&K4524B 型三向加速度計、測試電腦等。振動傳感器布置在左前座椅導(dǎo)軌位置，如圖1所示。測試時需要同時采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、水溫等參數(shù)。

圖1 座椅導(dǎo)軌振動測點位置

點火激勵與發(fā)動機(jī)氣缸缸壓大小直接相關(guān)，為測試點火過程中氣缸內(nèi)壓力的變化，需要安裝氣缸壓力傳感器。氣缸壓力傳感器為特制傳感器，在測試過程中可以采集發(fā)動機(jī)氣缸壓力信號，同時還可以替代火花塞進(jìn)行點火。氣缸壓力傳感器及測試安裝如圖2所示。

圖2 氣缸壓力測試示意圖

1.2 問題描述

某自主研發(fā)搭載三缸機(jī)手動擋車型，在研發(fā)期間出現(xiàn)點火抖動大，啟動過程中存在拖沓感的問題，嚴(yán)重影響其整車商品性。該自研車與某同排量同級別搭載四缸發(fā)動機(jī)的對標(biāo)車進(jìn)行對比，啟動時座椅導(dǎo)軌振動的時域數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖3 所示，座椅導(dǎo)軌振動高出對標(biāo)車2～3倍，嚴(yán)重影響駕駛者的主觀感受及整車品質(zhì)。

圖3 點火抖動座椅導(dǎo)軌振動時域數(shù)據(jù)對比

1.3 點火抖動的客觀評估方法

通常采用快速傅里葉變換法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）對NVH數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理分析，但FFT分析會對時域數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊和平均，不利于真實地反映整車啟動過程中的瞬態(tài)振動。

國標(biāo)GB/T13441.1-2007《機(jī)械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價（第1 部分）：一般要求》[7]指出，在遇到瞬態(tài)振動、偶然性沖擊振動的情況時，應(yīng)采取四次方振動劑量值（Vibration Dose Value，VDV）或運(yùn)行均方根值（最大瞬時振動值，Maximum Transient Vibration Value，MTVV）代替。本研究選擇VDV的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行客觀數(shù)值的計算。

四次方振動劑量值（VDV）用米每1.75 次方秒（m/s1.75）或弧度每1.75次方秒（rad/s1.75）表示，定義為：

式中：αw(t)為振動加速度時域信號，m/s2。測試整車啟動過程中座椅導(dǎo)軌的振動數(shù)據(jù)，測得座椅導(dǎo)軌X/Y/Z三個方向的振動加速度，需綜合三個方向的振動劑量來計算。如式（2）所示：

根據(jù)該客觀計算方法，分別對自研車及對標(biāo)車點火過程中座椅導(dǎo)軌的振動劑量值進(jìn)行計算，結(jié)果如圖4 所示。由圖可見，自研車座椅導(dǎo)軌振動劑量是0.48 m/s1.75，對標(biāo)車A 為0.24 m/s1.75，對標(biāo)車B 為0.2 m/s1.75，自研車啟動過程振動劑量較對標(biāo)車高2～2.4倍，嚴(yán)重影響啟動過程駕駛者的體驗。因此，需要在研發(fā)期間將點火抖動降低至對標(biāo)車的水平。

圖4 振動劑量對比

2 三缸機(jī)點火抖動機(jī)理分析

2.1 點火抖動氣缸壓力變化

以點火順序為1—2—3 的三缸機(jī)為例，車輛在啟動過程的轉(zhuǎn)速及氣缸壓力如圖5所示。啟動期間可以分為三個階段，當(dāng)按下啟動按鍵，進(jìn)入第一階段，啟動機(jī)開始工作，飛輪及曲柄連桿機(jī)構(gòu)在啟動機(jī)的帶動下開始轉(zhuǎn)動，ECU 根據(jù)曲軸位置傳感器及凸輪軸位置傳感器判定曲柄連桿機(jī)構(gòu)所處的位置，當(dāng)某一氣缸滿足點火條件時，進(jìn)入第二階段。發(fā)動機(jī)點火，被壓縮的混合氣體被點燃，氣缸內(nèi)的壓力急劇上升，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到某一數(shù)值，進(jìn)入第三階段，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，最終回落至怠速。

圖5 啟動時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及氣缸壓力

根據(jù)發(fā)動機(jī)啟動過程的3 個階段，結(jié)合座椅導(dǎo)軌的振動測試，可以得到各階段座椅振動的量級，如圖6所示。第一階段為啟動機(jī)齒輪與發(fā)動機(jī)飛輪齒輪的嚙合產(chǎn)生的沖擊，該階段座椅導(dǎo)軌開始出現(xiàn)抖動。第二階段氣缸內(nèi)的混合氣開始燃燒，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速開始上升，座椅振動增大。第三階段發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，座椅振動逐漸降低。

圖6 啟動時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及座椅導(dǎo)軌振動

從上述的數(shù)據(jù)可知，座椅導(dǎo)軌振動大的階段為第2階段，該階段發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的壓力急劇上升，尤其是第一次點火缸壓，達(dá)到了57 bar，較第三階段平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時的7 bar 氣缸壓力高了7 倍以上。因此，降低第二階段的激勵是降低整車點火抖動主要的途徑之一。

2.2 三缸機(jī)啟動轉(zhuǎn)速波動

某搭載三缸機(jī)的整車啟動轉(zhuǎn)速波動如圖7 所示，點火轉(zhuǎn)速在200 r/min，點火后轉(zhuǎn)速存在較為明顯的波動，波動范圍在200 r/min～800 r/min，發(fā)動機(jī)1.5階激勵在5 Hz～20 Hz。該轉(zhuǎn)速區(qū)間三缸機(jī)主激勵階次會激勵起動力總成的剛體模態(tài)、雙質(zhì)量飛輪模態(tài)，引起動力總成產(chǎn)生較大的振動，這些振動通過懸置傳遞到車身，引發(fā)整車抖動[8-11]。

圖7 某三缸機(jī)啟動轉(zhuǎn)速波動

轉(zhuǎn)速波動問題的產(chǎn)生主要有以下兩點原因：

（1）為達(dá)到四缸機(jī)的動力性，同排量的三缸發(fā)動機(jī)單缸負(fù)載比四缸機(jī)高，因此壓縮比高于四缸機(jī)。壓縮比的升高，導(dǎo)致三缸機(jī)在氣缸壓縮過程中泵氣阻力大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低。

（2）如圖8 所示，以一個工作周期為例，四缸發(fā)動機(jī)工作時，相鄰點火氣缸不存在間隔。而三缸機(jī)較四缸機(jī)相比缺少一個氣缸，相鄰點火的氣缸存在60°無氣缸做功的行程，該行程為即將做功氣缸的壓縮行程，混合氣阻力大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低。

圖8 三缸發(fā)動機(jī)和四缸發(fā)動機(jī)的一個工作周期

要使得發(fā)動機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要飛輪儲存一定的動能。影響飛輪動能的主要因素是飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速。飛輪慣量不變，點火轉(zhuǎn)速低時，飛輪的動能低，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動大；點火轉(zhuǎn)速高時，飛輪的動能高，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動小。

通過上述的三缸機(jī)啟動抖動機(jī)理分析，提高點火轉(zhuǎn)速，提升飛輪動能，降低發(fā)動機(jī)啟動過程的轉(zhuǎn)速波動，以及降低氣缸壓力的方法，可以降低動力總成的激勵，從而減小整車點火抖動。

3 三缸機(jī)點火抖動改進(jìn)

3.1 點火轉(zhuǎn)速改進(jìn)

對于四沖程發(fā)動機(jī)而言，一個工作周期內(nèi)，每個活塞只有做功行程做功，而排氣、進(jìn)氣和壓縮行程都要消耗功，此時飛輪的動能轉(zhuǎn)換為發(fā)動機(jī)的機(jī)械能。影響飛輪動能的主要因素是飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速。由于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量受到整車重量及空間的限制，因此通常采取提高點火轉(zhuǎn)速的方式提升飛輪動能。

飛輪動能表達(dá)式為：

其中：I為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，ω為飛輪的角加速度。

工程上通常采用提高啟動機(jī)功率或增大傳動比的方式提高點火轉(zhuǎn)速。提高啟動機(jī)的功率，需要增加銅線提高磁場強(qiáng)度，降低銅損。增大傳動比，通常是更改小齒輪的齒數(shù)，或者是更改行星齒輪的減速比。在方案的選擇上，需根據(jù)所提高轉(zhuǎn)速的需求，項目周期、成本及冷啟動工況等進(jìn)行取舍。

本研究為了兼顧成本及項目開發(fā)周期，采取的方案是在保證功率不變的前提下，改進(jìn)啟動機(jī)銅線的繞線形式，增大磁場強(qiáng)度；同時優(yōu)化啟動機(jī)內(nèi)部的齒輪組，增大驅(qū)動齒輪與飛輪的傳動比以提高點火轉(zhuǎn)速。

改進(jìn)前后的點火轉(zhuǎn)速對比如圖9 所示，由圖可見，點火轉(zhuǎn)速由原先的200 r/min 提升到280 r/min，降低了啟動后的轉(zhuǎn)速波動。座椅導(dǎo)軌振動劑量測試結(jié)果如圖10 所示，由圖可見，座椅導(dǎo)軌振動沖擊較原狀態(tài)降低了37.5%，改善效果明顯，主觀評價整車點火抖動已接近對標(biāo)車的水平。理論上分析，點火轉(zhuǎn)速的提高，可避開更低的激勵頻率，并且發(fā)動機(jī)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速的速差越小，有利于降低發(fā)動機(jī)的氣缸壓力，降低點火激勵[3]。對于不考慮成本等因素的情況，可以通過提高啟動機(jī)功率，增加銅線等方式來提高點火轉(zhuǎn)速。

圖9 改進(jìn)前后點火轉(zhuǎn)速對比

圖10 提高點火轉(zhuǎn)速后座椅導(dǎo)軌振動劑量對比

通過提高點火轉(zhuǎn)速，提升飛輪動能，降低了發(fā)動機(jī)啟動過程的轉(zhuǎn)速波動，座椅導(dǎo)軌振動沖擊較原狀態(tài)相比降低了37.5%，改善效果明顯，但仍未達(dá)到對標(biāo)車水平。

3.2 點火氣缸壓力改進(jìn)

發(fā)動機(jī)的激勵與點火時氣缸壓力存在相關(guān)性，氣缸壓力越高，激勵能量越大。為降低激勵能量，需要降低點火氣缸壓力。發(fā)動機(jī)啟動過程中，除需克服自身的摩擦力和泵氣損失外，還受到排放、低溫環(huán)境啟動性能的影響[12]。在降低點火激勵的同時，還需對各項性能進(jìn)行平衡?？梢圆扇∫韵路绞綔p小點火激勵；延長進(jìn)氣VVT的開啟時間，縮短壓縮行程；減小噴油器的開啟時間，降低噴油量；改變啟動過程的點火提前角等[13-14]。

本文采取的方式是改變啟動過程的點火角，降低點火時的氣缸壓力。發(fā)動機(jī)的每一工況都存在最佳點火提前角，此時發(fā)動機(jī)的氣缸壓力較高。但對于某些工況，過高的氣缸壓力會引起發(fā)動機(jī)產(chǎn)生額外的抖動，推遲點火提前角，可以縮短氣缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，降低氣缸壓力。對于發(fā)動機(jī)啟動工況，在保證發(fā)動機(jī)基本工作的前提下，可以適當(dāng)降低氣缸壓力，從而減小點火激勵。

根據(jù)之前的分析，發(fā)動機(jī)啟動時，前兩次點火的氣缸壓力較大。通過推遲點火提前角的方式，降低氣缸壓力的策略，在低溫環(huán)境下有啟動失敗的風(fēng)險，因此推遲點火提前角的方案僅在氣溫大于等于20℃的條件下才可實施，且僅降低前兩次氣缸的點火壓力。分別對原狀態(tài)，推遲點火提前角10°、推遲點火提前角15°、推遲點火提前角20°的氣缸壓力測試結(jié)果進(jìn)行對比，如圖11 所示。結(jié)果表明，點火提前角推遲10°，第一次點火的氣缸壓力為28 bar，氣缸壓力較原狀態(tài)降低了51.7%；點火提前角推遲15°，第一次點火的氣缸壓力為20 bar，氣缸壓力較原狀態(tài)降低了64.5%；點火提前角推遲20°，第一次點火氣缸壓力為15 bar，氣缸壓力較原狀態(tài)降低了73.7%。由于點火提前角推遲15°及20°的標(biāo)定策略，在特殊環(huán)境下有失火的風(fēng)險，因此，選擇點火提前角推遲10°作為降低氣缸壓力的驗證方案。

圖11 推遲點火提前角點火氣缸壓力對比

在提高點火轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，對點火提前角推遲10°進(jìn)行實車驗證，測試結(jié)果如圖12 所示。由圖可見，點火抖動在提高點火轉(zhuǎn)速狀態(tài)的基礎(chǔ)上降低了30%，相比于初始狀態(tài)降低了56.3%。主觀感受點火抖動較小，客觀數(shù)據(jù)測試結(jié)果與對標(biāo)車相當(dāng)。

圖12 改進(jìn)標(biāo)定后座椅導(dǎo)軌振動劑量對比

通過改進(jìn)啟動過程的點火提前角，減小發(fā)動機(jī)點火缸壓，降低了發(fā)動機(jī)點火激勵，降低了整車點火抖動。

4 結(jié)語

基于三缸發(fā)動機(jī)與四缸發(fā)動機(jī)的NVH 性能差距，本文以某自主研發(fā)的三缸機(jī)車型點火抖動問題為例，根據(jù)發(fā)動機(jī)點火過程的轉(zhuǎn)速、氣缸壓力及座椅振動的測試數(shù)據(jù)，分析了發(fā)動機(jī)點火抖動機(jī)理。

從發(fā)動機(jī)本體出發(fā)，通過提高點火轉(zhuǎn)速，增大飛輪動能，降低了啟動過程中發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動，使得點火抖動較原狀態(tài)降低了37.5%。在此基礎(chǔ)上，通過推遲點火提前角，降低啟動過程中的點火激勵，點火缸壓較原狀態(tài)降低了51.7%，對該方案進(jìn)行整車驗證，點火抖動較原狀態(tài)降低了56.3%，整車點火抖動性能達(dá)到了對標(biāo)車的水平。